KR20070115338A - Cogeneration system for a feul cell and method thereof - Google Patents

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KR20070115338A
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Abstract

A cogeneration system using fuel cells is provided to withdraw heat energy from waste heat generated from the generation system through a simplified route. A cogeneration system using fuel cells includes: a steam-generating unit(10) which withdraws reactants and waste heat discharged from a reformer(1) and a fuel cell stack(3) and generates steam using the reactants and waste heat; a generation unit(21,22) which generates electric energy using steam generated from the steam-generating unit; a condenser(30) which withdraws steam discharged from the generation unit and subjects the steam to low-pressure expansion; and a pressurization unit(50) which applies pressure to working fluid supplied from the condenser, and sends back the working fluid to the steam-generating unit.

Description

연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템 및 열병합 발전 방법{Cogeneration system for a feul cell and Method thereof}Cogeneration System and Cogeneration System Using Fuel Cells {Cogeneration system for a feul cell and Method}

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.The following drawings attached to this specification are illustrative of preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention to serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention is a matter described in such drawings It should not be construed as limited to

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 발전시스템의 구성도이다.1 is a block diagram of a fuel cell power generation system according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 증기발생수단의 대략적인 구성도이다.Figure 2 is a schematic diagram of a steam generating means according to a preferred embodiment of the present invention.

<도면의 주요 참조부호에 대한 설명><Description of main reference numerals in the drawings>

1...개질기 3...연료전지 스택1 ... reformer 3 ... fuel cell stack

5...전력전송수단 10...증기발생수단5. Power transmission means 10 ... Steam generation means

17...가열수단 21...터빈17 Heating means 21 Turbines

22...발전기 30...응축기22 ... generator 30 ... condenser

40...난방/급탕 장치 50...가압수단40.Heating / hot water supply device 50 ... Pressure means

본 발명은 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템 및 열병합 발전 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 발전시스템에서 발생되는 열 에너지를 효율적으로 회수하여 재사용할 수 있는 열병합 발전 시스템 및 열병합 발전 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a cogeneration system and a cogeneration system using a fuel cell, and more particularly, to a cogeneration system and a cogeneration system capable of efficiently recovering and reusing heat energy generated from a fuel cell power generation system. .

연료전지를 이용한 발전 시스템은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등 탄화 수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소를 포함하는 공기를 전기 화학반응을 통해서 분해하고, 이 과정에서 발생되는 전자들을 직접 전기 에너지로 변화시키는 발전 시스템이다. A power generation system using a fuel cell decomposes air containing hydrogen and oxygen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol, ethanol or natural gas through an electrochemical reaction, and directly converts electrons generated in the process into electrical energy. It is a power generation system that changes.

연료전지를 이용한 발전 시스템은 기본적으로 연료를 저장하는 연료탱크, 상기 연료를 이송하는 연료펌프, 수소기체를 발생시키는 개질기, 및 전자를 발생시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택(이하, 스택으로 지칭함)을 구비한다.A power generation system using a fuel cell is basically a fuel tank for storing fuel, a fuel pump for transferring the fuel, a reformer for generating hydrogen gas, and a fuel cell stack (hereinafter, referred to as a stack) that generates electric energy by generating electrons. ).

개질기는 연료펌프의 동작을 통해 연료 탱크에 저장된 연료 및 물을 공급받고, 상기 연료 및 물을 수증기 개질반응(Steam reforming), 부분 산화(Partial Oxidation), 자열 개질 반응(Autothermal Reforming), 직접분해법(Direct Cracking), 플라즈마 촉매개질법(Plasma Catalytic Reforming), 흡착부 과반응 개질법(Sorption Enhanced reaction Process)등의 방법을 통해 상기한 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 그리고, 개질기에서 생성된 개질가스에는 일산화탄소 등과 같은 유해물질이 포함되어 있는 바, 개질기는 유해물질을 정화하여 스택으 로 공급한다.The reformer receives fuel and water stored in the fuel tank through the operation of the fuel pump, and reforms the fuel and water by steam reforming, partial oxidation, autothermal reforming, and direct decomposition. The above fuel is converted into a hydrogen-rich reformed gas through a method such as direct cracking, plasma catalytic reforming, or sorption enhanced reaction process. In addition, the reformed gas generated in the reformer contains harmful substances such as carbon monoxide, and the reformer purifies the hazardous substances and supplies them to the stack.

한편, 스택은 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하며, 개질기로부터 공급받은 수소 기체가 애노드 전극으로 주입되고, 외부 공기로부터 공급받은 산소는 캐소드 전극으로 주입된다. 이에 따라, 애노드 전극에서는 수소 기체의 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어난다. 결국, 스택에는 기체의 산화 및 환원반응으로 인해 소정의 물과 전자들이 발생하고, 상기 전자의 이동으로 전기에너지가 생성된다. 또한, 산화 및 환원반응으로 인해 스택에는 소정의 열 에너지가 발생되는데, 이러한 열 에너지는 화학반응으로 생성된 물에 인가된다.On the other hand, the stack includes an anode electrode and a cathode electrode, the hydrogen gas supplied from the reformer is injected into the anode electrode, the oxygen supplied from the outside air is injected into the cathode electrode. Accordingly, an oxidation reaction of hydrogen gas occurs at the anode electrode, and a reduction reaction of oxygen occurs at the cathode electrode. As a result, water and electrons are generated in the stack due to oxidation and reduction reactions of gases, and electric energy is generated by the movement of the electrons. In addition, due to the oxidation and reduction reactions, a predetermined heat energy is generated in the stack, which is applied to the water produced by the chemical reaction.

상기와 같이 구성된 연료전지를 이용한 발전 시스템에는 상기 개질기 및 연료전지 스택에서 화학반응으로 인하여 높은 열에너지가 발생되는데, 이러한 열에너지는 대부분 외부로 방출될 경우, 연료의 전환효율(연료가 전기에너지로 전환되는 효율)이 저하될 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 연료전지를 이용한 발전 시스템은 배열 또는 폐열을 회수하기 위한 다수의 열교환 장치를 구비한다. In the power generation system using the fuel cell configured as described above, high heat energy is generated due to a chemical reaction in the reformer and the fuel cell stack. When the heat energy is mostly emitted to the outside, the conversion efficiency of the fuel (fuel is converted into electric energy) Efficiency) may be lowered. To prevent this, the power generation system using the fuel cell is provided with a plurality of heat exchangers for recovering the heat or waste heat.

그러나, 연료전지를 이용한 발전 시스템에 다수의 열교환 장치가 구비될 경우, 시스템이 복잡해지고, 배관의 길이가 늘어나 관내손실(예컨대, 압력강하)이 발생한다.However, when a plurality of heat exchangers are provided in a power generation system using a fuel cell, the system becomes complicated, and the length of the pipe is increased to cause an internal pipe loss (for example, a pressure drop).

또한, 연료전지를 이용한 발전 시스템에서 발생되는 폐열을 이용하기 위하여 고안된 시스템은 작동 유체 자체를 직접적으로 회수하여 사용하지 않고, 작동 유체의 잠열만을 열 교환수단을 통해 회수함으로써, 효율이 높지 않은 문제도 있다.In addition, a system designed to use waste heat generated in a power generation system using a fuel cell does not directly recover and use the working fluid itself, and recovers only the latent heat of the working fluid through a heat exchange means. have.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연료전지를 이용한 발전 시스템에서 발생되는 폐열로부터 열 에너지를 단순화된 경로를 통해 회수할 수 있는 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템 및 열병합 발전 방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention is to solve the above problems, to provide a cogeneration system and a cogeneration system using a fuel cell that can recover the heat energy from the waste heat generated in the power generation system using a fuel cell through a simplified path. There is a purpose.

또한, 연료전지를 이용한 발전 시스템에서 발생되는 유체를 그대로 이용하여 시스템에서 발생되는 열 에너지를 효율적으로 이용할 수 있는 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템 및 열병합 발전 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a cogeneration system and a cogeneration method using a fuel cell that can efficiently use the heat energy generated in the system by using the fluid generated in the power generation system using the fuel cell.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템은 연료전지 발전 시스템에서 발생되는 열을 병합하여 사용하는 시스템에 있어서, 개질기 및 연료전지 스택로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 회수하고, 상기 반응물질 및 폐열을 이용하여 증기를 생성하는 증기발생수단; 상기 증기발생수단으로부터 생성된 증기를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 발전수단; 상기 발전수단으로부터 배출되는 증기를 회수하여 저압 팽창시키는 응축기; 및 상기 응축기로부터 공급되는 작동 유체에 압력을 인가하고, 이를 상기 증기발생수단으로 회송하는 가압수단;을 포함한다.In order to achieve the above object, a cogeneration system using a fuel cell according to an aspect of the present invention is a system using a combination of heat generated from a fuel cell power generation system, and reactants discharged from a reformer and a fuel cell stack. Steam generating means for recovering the waste heat and generating steam using the reactants and waste heat; Power generation means for generating electrical energy using steam generated from the steam generating means; A condenser for recovering steam discharged from the power generation means and expanding at low pressure; And pressurizing means for applying a pressure to the working fluid supplied from the condenser and returning it to the steam generating means.

상기 증기생성수단에 열 에너지를 공급하는 가열수단을 더 포함할 수 있다.It may further include a heating means for supplying thermal energy to the steam generating means.

상기 증기발생수단은 상기 개질기 및 스택으로부터 유입되는 유체 또는 가스를 회수하는 복수의 유입구를 구비하며, 상기 개질기로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 회수하는 유입구는 내부에 회수된 유체의 표면보다 상대적으로 상부에 형성 되고, 상기 스택으로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 회수하는 유입구는 내부에 회수된 유체의 표면보다 상대적으로 하부에 형성되는 것이 바람직하다.The steam generating means has a plurality of inlets for recovering the fluid or gas flowing from the reformer and the stack, the inlet for recovering the reactant and waste heat discharged from the reformer is relatively higher than the surface of the fluid recovered therein It is preferably formed in the inlet for recovering the reaction material and waste heat discharged from the stack is formed on the lower portion than the surface of the fluid recovered therein.

상기 발전수단은 상기 증기발생수단으로부터 생성된 증기를 역학적 에너지로 변환하는 에너지 변환수단; 및 상기 역학적 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전기;를 구비할 수 있다.The power generation means includes energy conversion means for converting the steam generated from the steam generating means into mechanical energy; And a generator for generating electrical energy using the mechanical energy.

바람직하게, 상기 응축기는 응축된 작동 유체와 상기 작동 유체의 응축시 사용된 열교환매체를 난방/급탕 장치에 공급할 수 있다.Preferably, the condenser may supply a condensed working fluid and a heat exchange medium used for condensation of the working fluid to a heating / hot water supply device.

더욱 바람직하게, 상기 응축기에 사용되는 상기 열교환매체는 응축수일 수 있다. More preferably, the heat exchange medium used in the condenser may be condensed water.

본 발명의 다른 측면에 따른 열병합 발전 방법은 연료전지 발전 시스템에서 발생되는 열을 이용하는 방법에 있어서, 개질기 및 연료전지 스택로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 회수하고, 상기 반응물질 및 폐열을 이용하여 증기를 생성하는 증기생성단계; 상기 증기생성단계를 통해 생성된 상기 증기를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전단계; 상기 발전단계에서 배출되는 증기를 회수하여 응축시키는 응축단계; 및 상기 응축단계를 통해 응축된 작동 유체에 압력을 인가하고, 이를 이용하여 다시 증기를 생성하기 위하여 회송시키는 단계;을 포함한다.The cogeneration method according to another aspect of the present invention, in the method using heat generated in the fuel cell power generation system, recovers the reactant and waste heat discharged from the reformer and the fuel cell stack, and uses the reactant and waste heat to steam Steam generation step of generating; A power generation step of generating electrical energy using the steam generated through the steam generation step; A condensation step of recovering and condensing steam discharged from the power generation step; And applying pressure to the working fluid condensed through the condensation step and returning the same to generate steam again.

상기 증기생성단계는 외부 열원으로부터 열 에너지를 더 공급받을 수 있다.The steam generation step may be further supplied with thermal energy from an external heat source.

또한, 상기 증기생성단계는 상기 개질기 및 스택으로부터 유입되는 유체 또는 가스를 회수하는 복수의 유입구를 구비하며, 상기 개질기로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 내부에 회수된 유체의 표면보다 상대적으로 상부에 형성된 유입구를 통해 회수하고, 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 내부에 회수된 유체의 표면보다 상대적으로 하부에 형성된 유입구를 통해 회수하는 것이 바람직하다.In addition, the steam generation step is provided with a plurality of inlets for recovering the fluid or gas flowing from the reformer and the stack, the reactant and waste heat discharged from the reformer is formed on the upper side of the relatively recovered surface It is preferable to recover through the inlet, and the reactant and the waste heat discharged from the fuel cell stack through the inlet formed at a lower portion than the surface of the fluid recovered therein.

상기 발전단계는 상기 증기생성단계로부터 생성된 증기를 역학적 에너지로 변환하는 단계; 및 상기 역학적 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 단계;를 포함한다.The power generation step includes converting the steam generated from the steam generation step into mechanical energy; And generating electrical energy using the mechanical energy.

상기 응축단계에서 응축된 작동 유체와 상기 작동 유체의 응축시 사용된 열교환매체를 난방/급탕 장치에 공급하는 것이 바람직하다.It is preferable to supply the heating / hot water supply device with the working fluid condensed in the condensation step and the heat exchange medium used for condensation of the working fluid.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 발전시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 증기발생수단의 대략적인 구성도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 발전 시스템은 개질기(1), 연료전지 스택(3), 전력전송수단(5), 증기발생수단(10), 발전수단(21,22), 응축기(30), 및 가압기(50)를 포함한다.1 is a configuration diagram of a fuel cell power generation system according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 2 is a schematic configuration diagram of a steam generating means according to a preferred embodiment of the present invention. 1 and 2, a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention includes a reformer 1, a fuel cell stack 3, power transmission means 5, steam generating means 10, and power generation means ( 21, 22, a condenser 30, and a pressurizer 50.

개질기(1)는 외부로부터 공급되는 연료(메탄올, 에탄올, LPG, 또는 천연가스 등)와 물을 산화촉매반응과 개질촉매반응 등을 통해 수소가스를 축출하며, 상기 발생된 수소가스를 연료전지 스택(3)으로 공급한다. 이때, 개질기(1)에는 미량의 이산화탄소, 메탄가스, 및 일산화탄소 등의 개질가스와 촉매반응으로 인한 고온의 열이 발생한다.The reformer 1 extracts hydrogen gas from an externally supplied fuel (methanol, ethanol, LPG, or natural gas, etc.) and water through an oxidation catalyst reaction and a reforming catalyst reaction, and generates the hydrogen gas into a fuel cell stack. Supply to (3). At this time, the reformer 1 generates heat at a high temperature due to catalytic reaction with a reforming gas such as trace amounts of carbon dioxide, methane gas, and carbon monoxide.

개질기(1)에서 발생되는 상기 일산화탄소는 연료전지 스택(3)으로 유입되어 촉매 반응에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 개질기(1)는 일산화탄소 제거기 등을 구비하여 상기 일산화탄소를 제거하는 것이 바람직하다.The carbon monoxide generated in the reformer 1 may enter the fuel cell stack 3 and may adversely affect the catalytic reaction. Therefore, the reformer 1 is preferably equipped with a carbon monoxide remover to remove the carbon monoxide.

또한, 개질기(1)는 상기 개질가스를 회수하고, 가스 이동관 등을 통해 증기발생수단(10)으로 공급한다.In addition, the reformer 1 recovers the reformed gas and supplies the reformed gas to the steam generating means 10 through a gas flow pipe.

한편, 개질기(1) 내에서 촉매반응으로 인해 발생된 열은 열교환수단(미 도시), 예컨대 냉각장치 등을 통해서 증기발생수단(10)으로 회수된다. 상기 냉각장치는 냉각수가 순환될 수 있는 경로를 구비하며, 상기 경로를 통해 배출되는 냉각수가 증기발생수단(10)으로 공급됨으로써, 촉매반응으로 인한 열을 회수할 수 있다.On the other hand, the heat generated by the catalytic reaction in the reformer 1 is recovered to the steam generating means 10 through a heat exchange means (not shown), such as a cooling device. The cooling device has a path through which cooling water can be circulated, and the cooling water discharged through the path is supplied to the steam generating means 10 to recover heat due to the catalytic reaction.

연료전지 스택(3)은 개질기(1)로부터 공급받은 수소가스와 외부로부터 공급되는 공기를 이용하여, 하기 반응식 1에 따른 반응에 따라 전기, 열, 및 물을 생성한다.The fuel cell stack 3 uses the hydrogen gas supplied from the reformer 1 and air supplied from the outside to generate electricity, heat, and water according to the reaction according to Scheme 1 below.

애노드 반응: H2 -> 2H+ + 2e- The anode reaction: H 2 -> 2H + + 2e -

캐소드 반응:

Figure 112006039020600-PAT00001
O2 + 2H+ + 2e- -> H2OCathode reaction:
Figure 112006039020600-PAT00001
O 2 + 2H + + 2e - -> H 2 O

전체반응: H2 +

Figure 112006039020600-PAT00002
O2 -> H2O + 전류 + 잔열Total reaction: H 2 +
Figure 112006039020600-PAT00002
O 2- > H 2 O + current + residual heat

반응식 1을 참고하면, 애노드 전극으로 수소가스가 공급되고, 캐소드 전극으로 공기가 공급된다. 애노드 전극으로 유입된 상기 수소가스는 촉매층에서 전자(e-)와 수소이온(H+)으로 변환된다. 그리고, 애노드 전극에서도 역시 촉매로 인해 캐소드 전극에서 전자(e-)와 산소이온(O2)으로 변환된다. 이때, 수소이온(H+)이 전해질 막을 통하여 애노드 전극으로 이동되면 산소이온(O2)과 반응하여 물(H2O)로 변환된다. 애노드 전극에서 생성된 전자(e-)는 전해질 막을 통해 이동되지 못하고, 외부회로를 통해 캐소드 전극으로 이동함으로써, 소정의 전류를 형성하게 된다.Referring to Scheme 1, hydrogen gas is supplied to the anode electrode, and air is supplied to the cathode electrode. The hydrogen gas introduced into the anode electrode is converted into electrons (e ) and hydrogen ions (H + ) in the catalyst layer. In addition, the anode also converts electrons (e ) and oxygen ions (O 2 ) at the cathode due to the catalyst. At this time, when hydrogen ions (H + ) are moved to the anode electrode through the electrolyte membrane is reacted with oxygen ions (O 2 ) is converted into water (H 2 O). Electrons (e ) generated at the anode electrode do not move through the electrolyte membrane, but move to the cathode electrode through an external circuit, thereby forming a predetermined current.

이때, 화학반응으로 인해 생성된 물에는 소정의 열 에너지가 인가되어 있으며, 상기 물은 증기발생수단(10)으로 공급된다.At this time, a predetermined heat energy is applied to the water generated by the chemical reaction, and the water is supplied to the steam generating means 10.

전력전송수단(5)은 연료전지 스택(3)에서 발생된 직류전력 또는 발전수단(21,22)에서 발생된 교류전력을 전력 수용단으로 전송하는 수단이다.The power transmission means 5 is a means for transmitting DC power generated in the fuel cell stack 3 or AC power generated in the power generation means 21 and 22 to the power receiving end.

바람직하게, 전력전송수단(5)은 전력 수용단의 사용전력이나 전력전송효율 등을 고려하여 직류전력 또는 교류전력으로 전송할 수 있다. 이에 따라, 전력전송 수단(5)은 연료전지 스택(3) 및 발전수단(21,22)에서 발생된 전력의 상태를 변환(직류전력->교류전력 또는 교류전력->직류전력)하는 장치를 더 포함할 수도 있다.Preferably, the power transmission means 5 may be transmitted by DC power or AC power in consideration of the power used or power transmission efficiency of the power receiving end. Accordingly, the power transmission means 5 converts the state of the power generated by the fuel cell stack 3 and the power generation means 21 and 22 (DC power-> AC power or AC power-> DC power). It may further include.

증기발생수단(10)은 제1유입구(11), 제2유입구(12), 제3유입구(13), 제4유입구(14), 및 출구(15)를 구비한다.The steam generating means 10 includes a first inlet 11, a second inlet 12, a third inlet 13, a fourth inlet 14, and an outlet 15.

제1유입구(11)에는 개질기(1)에서 배출되는 상기 개질가스가 회송되고, 제2유입구(12)에는 열교환수단(예컨대, 냉각장치)으로부터 배출되는 상기 열교환매체(예컨대, 냉각수)가 회송되고, 제3유입구(13)에는 가압수단(50)으로부터 회송되는 상기 작동 유체가 유입된다. 그리고, 제4유입구(14)에는 연료전지 스택(3)으로부터 공급받는 상기 물이 유입된다.The reformed gas discharged from the reformer 1 is returned to the first inlet 11, and the heat exchange medium (eg, cooling water) discharged from the heat exchange means (for example, a cooling device) is returned to the second inlet 12. The working fluid returned from the pressurizing means 50 flows into the third inlet 13. The water supplied from the fuel cell stack 3 flows into the fourth inlet 14.

바람직하게, 상기 제1유입구(11) 및 제2유입구(12)는 증기발생수단(10)의 내부에 유입되는 유체(냉각수 및 물)의 양을 감안하여 유체의 표면보다 상대적으로 상부 측에 위치하고, 제4유입구(14)는 증기발생수단(10)의 내부에 유입되는 유체(냉각수 및 물)의 양을 감안하여 유체의 표면보다 상대적으로 하부 측에 위치하도록 설계한다.Preferably, the first inlet 11 and the second inlet 12 are located on the upper side relative to the surface of the fluid in consideration of the amount of fluid (cooling water and water) flowing into the steam generating means 10. The fourth inlet 14 is designed to be located on the lower side relatively than the surface of the fluid in consideration of the amount of fluid (cooling water and water) flowing into the steam generating means 10.

또한, 출구(15)는 증기발생수단(10)의 내부에서 발생하는 증기를 배출하기 위하여 내부에 유입되는 유체(냉각수 및 물)의 양을 감안하여 유체의 표면보다 상대적으로 상부 측에 위치하도록 설계한다.In addition, the outlet 15 is designed to be located on the upper side relative to the surface of the fluid in consideration of the amount of fluid (cooling water and water) flowing in to discharge the steam generated inside the steam generating means 10. do.

바람직하게, 증기발생수단(10)의 내부에 수용되는 액체로 열 에너지를 공급하는 가열수단(17)을 더 포함할 수 있다. 가열수단(17)은 증기발생수단(10)으로 회수되는 유체의 열량이 적을 경우, 상기 유체에 열 에너지를 공급하여 액체상태의 용액을 기화시킨다.Preferably, it may further include a heating means 17 for supplying thermal energy to the liquid contained in the steam generating means (10). When the heat amount of the fluid recovered by the steam generating means 10 is small, the heating means 17 supplies heat energy to the fluid to vaporize the liquid solution.

발전수단(21,22)은 터빈(21) 및 발전기(22)를 구비한다. 터빈(21)은 증기발생수단(10)으로부터 공급된 상기 증기가 배출구로 이동하는 유로 상에 위치하는 복수의 회전날개를 구비한다. 증기발생수단(10)으로부터 연속적으로 공급되는 증기에 의하여 복수의 상기 회전날개는 회전축을 중심으로 연속적으로 회전되고, 상기 회전축에 인가되는 회전력을 발전기로 전달한다. The power generation means 21 and 22 include a turbine 21 and a generator 22. The turbine 21 has a plurality of rotary vanes positioned on a flow path through which the steam supplied from the steam generating means 10 moves to the discharge port. By the steam continuously supplied from the steam generating means 10 a plurality of the rotary blades are rotated continuously around the rotating shaft, and transmits the rotational force applied to the rotating shaft to the generator.

발전기(22)는 터빈(21)으로부터 전달받은 회전력을 이용하여 소정의 전기 에너지(예컨대, 직류전력 또는 교류전력)를 발생시켜 전력전송수단(5)으로 전송한다.The generator 22 generates a predetermined electric energy (for example, direct current power or alternating current power) by using the rotational force transmitted from the turbine 21 and transmits it to the power transmission means 5.

응축기(30)는 터빈(21)으로부터 배출되는 증기의 응축 잠열만큼의 열량을 상기 증기로부터 빼앗아 액화시켜 작동 유체(L1)를 생성한다.The condenser 30 takes the amount of heat equivalent to the latent heat of condensation of the steam discharged from the turbine 21 from the steam to liquefy to generate the working fluid L1.

바람직하게, 응축기(30)는 응축수(L2)를 이용하여 상기 증기를 액화시킨다. 이 과정에서, 상기 증기의 열에너지가 응축수(L2)로 이동되어 상기 응축수(L2)는 가열된다. Preferably, the condenser 30 liquefies the steam using the condensed water (L2). In this process, the thermal energy of the steam is transferred to the condensate (L2) to heat the condensate (L2).

나아가, 상기 증기의 열에너지를 받은 응축수(L2)는 소정의 온도로 가열된 상태로 난방/급탕 장치(40)에 공급되어 난방 또는 급탕용수로 사용될 수 있다.Furthermore, the condensed water L2 receiving the thermal energy of the steam may be supplied to the heating / hot water supply device 40 while being heated to a predetermined temperature and used as heating or hot water for heating.

가압수단(50)은 응축기(30)로부터 공급받은 상기 작동 유체(L1)에 소정의 압력을 인가하여 상기 작동 유체(L1)의 부피를 저감시키고, 이(부피가 저감된 상기 작동 유체)를 증기발생수단(10)으로 회송한다.The pressurizing means 50 applies a predetermined pressure to the working fluid L1 supplied from the condenser 30 to reduce the volume of the working fluid L1 and vaporizes it (the working fluid whose volume is reduced). Return to the generating means (10).

전력전송수단(5)은 연료전지 스택(3) 및 발전기(22)로부터 인가받는 전기 에너지를 전력 수용단, 예컨대 변전소, 또는 전력 수배전반 등으로 전송한다. The power transmission means 5 transmits electric energy applied from the fuel cell stack 3 and the generator 22 to a power receiving end, for example, a substation or a power distribution panel.

이하, 전술한 구성요소를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템의 동작을 설명한다. 또한, 이로써 본 발명의 실시예에 따른 열병합 발전 방법을 설명한다.Hereinafter, the operation of the cogeneration system using a fuel cell according to an embodiment of the present invention with reference to the above-described components. In addition, it describes a cogeneration method according to an embodiment of the present invention.

우선, 개질기(1)가 외부로부터 연료(메탄올, 에탄올, LPG, 또는 천연가스 등)와 물을 공급받아 산화촉매반응과 개질촉매반응 등을 통해 수소가스(H2)를 축출한다.First, the reformer 1 receives fuel (methanol, ethanol, LPG, or natural gas, etc.) and water from the outside to extract hydrogen gas (H 2 ) through an oxidation catalyst reaction and a reforming catalyst reaction.

다음으로, 상기 수소가스(H2)는 연료전지 스택(3)의 애노드 전극으로 공급되고, 캐소드 전극에는 외부로부터 공기를 공급받는다. 공급받은 수소가스와 공기는 상기 화학식 1에서 설명한 바와 같이, 애노드 전극 및 캐소드 전극에서 반응하여 전류, 물, 및 잔열로 전환된다. 이때, 연료전지 스택(3)에서 발생된 전류는 전력전송수단(5)으로 전송되고, 잔열을 포함하는 물은 증기발생수단(10)으로 회수된다.Next, the hydrogen gas H 2 is supplied to the anode electrode of the fuel cell stack 3, and air is supplied from the outside to the cathode electrode. As described in Chemical Formula 1, the supplied hydrogen gas and air react at the anode electrode and the cathode electrode and are converted into current, water, and residual heat. At this time, the current generated in the fuel cell stack 3 is transmitted to the power transmission means 5, the water containing the residual heat is recovered to the steam generating means (10).

한편, 개질기(1)에서 수소를 축출하는 과정에서 발생하는 이산화탄소, 메탄가스, 및 일산화탄소 등의 개질 가스는 증기발생수단(10)으로 회수된다. 또한, 수소를 축출하는 과정에서, 산화촉매반응과 개질촉매반응으로 인해 고온의 열이 발생하는데, 이(고온의 열)는 열교환수단(예컨대, 냉각수를 이용한 냉각장치)을 통해 고온의 열이 냉각수에 전달되고, 고온의 열이 인가된 상기 냉각수는 증기발생수단(10)으로 회수된다.On the other hand, reformed gas such as carbon dioxide, methane gas, and carbon monoxide generated in the process of extracting hydrogen from the reformer 1 is recovered by the steam generating means 10. In addition, in the process of discharging hydrogen, high temperature heat is generated due to the oxidation catalyst reaction and the reforming catalyst reaction, which is a high temperature heat through the heat exchange means (for example, a cooling device using cooling water). The coolant to which the high temperature heat is applied is recovered to the steam generating means (10).

개질기(1)에서 배출되는 상기 개질 가스 및 냉각수의 온도는 연료전지 스택(3)에서 생성되는 물의 온도보다 상대적으로 고온이며, 개질기(1)에서 회수되는 상기 개질 가스 및 냉각수는 연료전지 스택(3)에서 회수되는 물보다 상대적으로 높은 곳으로 유입된다. 따라서, 증기발생수단(10)은 내부로 유입되는 유체의 원활한 대류효과를 유도하고, 열 손실을 최소화하여 증기를 배출한다.The temperature of the reformed gas and the coolant discharged from the reformer 1 is relatively higher than the temperature of the water generated in the fuel cell stack 3, and the reformed gas and the coolant recovered from the reformer 1 is the fuel cell stack 3. ) Is relatively higher than the water recovered. Therefore, the steam generating means 10 induces a smooth convection effect of the fluid flowing into the inside, and minimizes the heat loss to discharge the steam.

배출된 증기는 터빈(21)에 연속적으로 공급되고, 터빈(21)에 구비되는 회전 날개를 회전시킨다. 회전 날개가 회전함으로써, 회전축을 중심으로 발생되는 회전력이 발전기(22)로 전달된다. 발전기는 상기 회전력을 이용하여 소정의 전기에너지를 발생시켜 전력전송수단(5)으로 전송한다.The discharged steam is continuously supplied to the turbine 21, and rotates the rotary blades provided in the turbine 21. As the rotary vanes rotate, the rotational force generated about the rotary shaft is transmitted to the generator 22. The generator generates the predetermined electric energy by using the rotational force and transmits it to the power transmission means (5).

한편, 터빈(21)을 통과한 후 배출되는 증기는 응축기(30)로 회수된다. 응축기(30)는 상기 증기의 응축 잠열만큼의 열량을 빼앗아 액화시키고, 액화된 작동 유체(L1)를 생성한다. 이때, 상기 증기의 잠열에 대응하는 열에너지는 열교환매체, 예컨대 냉각수(L2)로 전달된다. 열에너지를 전달받은 상기 냉각수(L2)는 소정 온도의 유체로서 난방/급탕장치(40)로 이동되어 난방용수 또는 급탕용수로서 사용된다. 그리고, 응축기(30)는 증기발생수단(10)으로 유입되는 가스와 유체의 양에 대응하는 만큼의 상기 작동 유체(L1)를 난방/급탕장치(40)로 공급하고, 난방/급탕장치(40)는 상기 작동 유체(L1)를 난방용수 또는 급탕용수로 사용한다.On the other hand, the steam discharged after passing through the turbine 21 is recovered to the condenser 30. The condenser 30 takes the amount of heat equivalent to the latent heat of condensation of the vapor to liquefy and produces a liquefied working fluid L1. At this time, the thermal energy corresponding to the latent heat of the steam is transferred to a heat exchange medium, for example, cooling water (L2). The cooling water L2 having received the thermal energy is moved to the heating / hot water supply device 40 as a fluid having a predetermined temperature and used as heating water or hot water for heating. The condenser 30 supplies the working fluid L1 to the heating / hot water supply device 40 corresponding to the amount of the gas and the fluid flowing into the steam generating means 10, and the heating / hot water supply device 40. ) Uses the working fluid L1 as heating water or hot water.

다음으로, 응축기(30)에서 난방/급탕장치(40)로 공급되고 남은 잔류 유체(L1)는 가압수단(50)을 통해 가압된 상태로 증기발생수단(10)에 회송된다.Next, the remaining fluid L1 supplied from the condenser 30 to the heating / hot water supply device 40 is returned to the steam generating means 10 while being pressurized through the pressurizing means 50.

전술한 시스템을 통해 개질기(1) 및 연료전지 스택(3)에서 발생되는 증기 및 유체를 단일의 증기발생수단(10)으로 집합하여 사용함으로써, 유체 경로를 단순화하고, 회수되는 유체의 열 손실을 최소화할 수 있다.By using the above-mentioned system to aggregate and use the steam and fluid generated from the reformer 1 and the fuel cell stack 3 into a single steam generating means 10, the fluid path is simplified and the heat loss of the recovered fluid is reduced. It can be minimized.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.Although the present invention has been described above by means of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and will be described below by the person skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of the claims.

본 발명의 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템 및 열병합 발전 방법에 따르면, 다음과 같은 장점이 있다.According to the cogeneration system and the cogeneration method using the fuel cell of the present invention, there are the following advantages.

첫째, 유체의 물리적 특성(온도, 상태, 유량)에 상관없이 단일의 공간에 일괄적으로 수집하여 증기 생성의 예열 공급원으로 사용할 수 있다.First, regardless of the physical properties of the fluid (temperature, condition, flow rate), it can be collected in a single space and used as a preheating source for steam generation.

둘째, 각 장치에서 유출되는 유체의 경로를 단축시켜 시스템 내에서의 유량손실을 최소화할 수 있다.Second, it is possible to minimize the flow loss in the system by shortening the path of the fluid flowing out of each device.

셋째, 회수되는 유체를 그대로 작동 유체로 사용함으로써, 특별한 열 교환장치 없이 유체의 폐열 및 배열을 가장 효율적으로 활용할 수 있다.Third, by using the recovered fluid as it is as a working fluid, it is possible to most efficiently utilize the waste heat and arrangement of the fluid without a special heat exchanger.

Claims (11)

연료전지 발전 시스템에서 발생되는 열 에너지를 병합하여 사용하는 시스템에 있어서,In the system using a combination of thermal energy generated from the fuel cell power generation system, 개질기 및 연료전지 스택로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 회수하고, 상기 반응물질 및 폐열을 이용하여 증기를 생성하는 증기발생수단;Steam generating means for recovering reactants and waste heat discharged from the reformer and the fuel cell stack, and generating steam using the reactants and waste heat; 상기 증기발생수단으로부터 생성된 증기를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 발전수단;Power generation means for generating electrical energy using steam generated from the steam generating means; 상기 발전수단으로부터 배출되는 증기를 회수하여 저압 팽창시키는 응축기; 및A condenser for recovering steam discharged from the power generation means and expanding at low pressure; And 상기 응축기로부터 공급되는 작동 유체에 압력을 인가하고, 이를 상기 증기발생수단으로 회송하는 가압수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템.And a pressurizing means for applying a pressure to the working fluid supplied from the condenser and returning it to the steam generating means. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 증기생성수단에 열 에너지를 공급하는 가열수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템.Cogeneration system using a fuel cell, characterized in that it further comprises a heating means for supplying thermal energy to the steam generating means. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 증기발생수단은 상기 개질기 및 스택으로부터 유입되는 유체 또는 가스 를 회수하는 복수의 유입구를 구비하며,The steam generating means has a plurality of inlets for recovering the fluid or gas flowing from the reformer and the stack, 상기 개질기로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 회수하는 유입구는 내부에 회수된 유체의 표면보다 상대적으로 상부에 형성되고, 상기 스택으로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 회수하는 유입구는 내부에 회수된 유체의 표면보다 상대적으로 하부에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템.The inlet for recovering the reactant and the waste heat discharged from the reformer is formed on top of the surface of the fluid recovered therein, and the inlet for recovering the reactant and the waste heat discharged from the stack is the surface of the fluid recovered therein. Cogeneration system using a fuel cell, characterized in that formed in a relatively lower portion. 제 1항에 있어서, 상기 발전수단은The method of claim 1, wherein the power generation means 상기 증기발생수단으로부터 생성된 증기를 역학적 에너지로 변환하는 에너지 변환수단; 및Energy conversion means for converting steam generated from the steam generating means into mechanical energy; And 상기 역학적 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템.A cogeneration system using a fuel cell, comprising: a generator for generating electrical energy using the mechanical energy. 제 1항에 있어서, 상기 응축기는 The method of claim 1, wherein the condenser 응축된 작동 유체와 상기 작동 유체의 응축시 사용된 열교환매체를 난방/급탕 장치에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템.A cogeneration system using a fuel cell, wherein the condensed working fluid and a heat exchange medium used for condensation of the working fluid are supplied to a heating / hot water supply device. 제 1항 또는 제 5항에 있어서, The method according to claim 1 or 5, 상기 응축기에 사용되는 상기 열교환매체는 응축수인 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템.The cogeneration system using a fuel cell, characterized in that the heat exchange medium used for the condenser is condensed water. 연료전지 발전 시스템에서 발생되는 열 에너지를 이용하는 방법에 있어서,In the method using the thermal energy generated in the fuel cell power generation system, 개질기 및 연료전지 스택로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 회수하고, 상기 반응물질 및 폐열을 이용하여 증기를 생성하는 증기생성단계;A steam generation step of recovering reactants and waste heat discharged from the reformer and the fuel cell stack, and generating steam using the reactants and waste heat; 상기 증기생성단계를 통해 생성된 상기 증기를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전단계;A power generation step of generating electrical energy using the steam generated through the steam generation step; 상기 발전단계에서 배출되는 증기를 회수하여 응축시키는 응축단계; 및A condensation step of recovering and condensing steam discharged from the power generation step; And 상기 응축단계를 통해 응축된 작동 유체에 압력을 인가하고, 이를 이용하여 다시 증기를 생성하기 위하여 회송시키는 단계;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 방법.And applying pressure to the working fluid condensed through the condensation step and returning the same to generate steam using the same. 제 7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 증기생성단계는 외부 열원으로부터 열 에너지를 더 공급받는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 방법.The steam generation step is a cogeneration system, characterized in that further receiving heat energy from an external heat source. 제 7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 증기생성단계는 상기 개질기 및 스택으로부터 유입되는 유체 또는 가스를 회수하는 복수의 유입구를 구비하며,The steam generation step has a plurality of inlets for recovering the fluid or gas flowing from the reformer and the stack, 상기 개질기로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 내부에 회수된 유체의 표면보다 상대적으로 상부에 형성된 유입구를 통해 회수하고, 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 내부에 회수된 유체의 표면보다 상대적으로 하부 에 형성된 유입구를 통해 회수하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 방법.Reactants and waste heat discharged from the reformer are recovered through an inlet formed at an upper portion relative to the surface of the fluid recovered therein, and reactants and waste heat discharged from the fuel cell stack are relative to the surface of the fluid recovered therein. Cogeneration method characterized in that the recovery through the inlet formed in the lower portion. 제 7항에 있어서, 상기 발전단계는The method of claim 7, wherein the power generation step 상기 증기생성단계로부터 생성된 증기를 역학적 에너지로 변환하는 단계; 및Converting the steam generated from the steam generation step into mechanical energy; And 상기 역학적 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 방법.Generating electrical energy by using the mechanical energy; cogeneration system comprising a. 제 7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 응축단계에서 응축된 작동 유체와 상기 작동 유체의 응축시 사용된 열교환매체를 난방/급탕 장치에 공급하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 방법.The cogeneration system comprising supplying a working fluid condensed in the condensation step and a heat exchange medium used for condensation of the working fluid to a heating / hot water supply device.
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